Дайджест за март 2025 г.: обзор последних исследований в области газообмена между поверхностью и атмосферой

Новости проекта

Китайские ученые провели анализ выбросов метана из угольных шахт страны с помощью спутниковых наблюдений

Угольные шахты являются одним из основных глобальных источников выбросов метана, на долю которых приходится 10 % общемировых выбросов метана. Китай, являющийся крупнейшим в мире производителем и потребителем угля, имеет различные типы угольных шахт, однако существует значительная неопределенность в отношении выбросов метана из-за отсутствия систематических наземных данных. Поэтому точная количественная оценка выбросов метана при добыче угля имеет решающее значение. Существующие кадастры не позволяют учесть сложные и аномальные выбросы, а спутниковые данные среднего разрешения не позволяют точно определить уровень объекта. Спутниковые наблюдения с высоким пространственным разрешением позволяют получить подробную информацию. Благодаря пространственному разрешению 60 м и спектральным каналам от 381 до 2493 нм спутник EMIT может точно охарактеризовать метановые шлейфы на уровне предприятий. В данном исследовании используются данные 88 шлейфов выбросов метана, зафиксированных спутником EMIT, для количественной оценки характеристик выбросов метана 32 угольных шахт, расположенных во Внутренней Монголии, Нинся-Хуэйском автономном районе и провинции Шаньси (Китай). Анализ главных компонент показал, что размер шахты, тип угля и стадия переработки являются ключевыми факторами, влияющими на выбросы метана, причем уровень выбросов значительно варьируется в разных условиях. Данные свидетельствуют о различных уровнях выбросов метана на разных этапах производства. Средний уровень выбросов метана при обработке/утилизации газа в два раза выше, чем в вентиляционных шахтах и на химических заводах. Крупные угольные шахты демонстрируют тенденцию к снижению удельного показателя выбросов метана с увеличением масштаба, а сверхкрупные шахты - к уменьшению. Для крупных угольных шахт выбросы битуминозного угля почти вдвое превышают выбросы антрацитового угля. Результаты оценки кадастра выбросов снизу вверх для 32 изученных угольных шахт показывают, что EDGAR v8.0 и GFEI v2 недооценили годовые выбросы метана, уловив лишь около половины выбросов, определенных с помощью спутниковых наблюдений. Средняя интенсивность выбросов 32 угольных шахт, оцененная по спутниковым данным, составляет 0,48 кг/ГДж, что выше, чем интенсивность выбросов по данным EDGAR v8.0 (0,24 кг/ГДж) и GFEI v2 (0,18 кг/ГДж). В целом, спутниковые данные высокого разрешения дают новое представление о выбросах на уровне предприятия, раскрывая сложность выбросов метана из угольных шахт и подчеркивая необходимость разработки специальных стратегий по снижению выбросов, учитывающих различные типы шахт и этапы эксплуатации.

Исследование опубликовано в Remote Sensing.

Российские ученые изучили возможность получения надежных региональных оценок чистого экосистемного обмена с использованием усредненных по колонкам мольных долей CO2 в сухом воздухе

Хорошие количественные знания о региональных источниках и поглотителях атмосферного диоксида углерода CO2 необходимы для понимания глобального углеродного цикла. Оно также является ключевым условием для разработки экономически эффективных национальных стратегий по достижению целей Парижского соглашения. Однако имеющиеся оценки потоков CO2 для многих регионов мира остаются неопределенными, несмотря на значительный прогресс, достигнутый в последнее время в области дистанционного зондирования наземной растительности и атмосферного CO2. В данном исследовании мы изучаем возможность получения надежных региональных оценок чистого экосистемного обмена (NEE) с использованием усредненных по колонкам мольных долей CO2 в сухом воздухе (XCO2), полученных из наблюдений Orbiting Carbon Observatory-2 (OCO-2), в качестве ограничений на параметры широко используемой модели фотосинтеза и дыхания растительности VPRM, которая прогнозирует экосистемные потоки на основе индексов растительности, полученных из мультиспектральных спутниковых снимков. Мы разработали систему инверсионного моделирования регионального масштаба, в которой применяется байесовский алгоритм вариационной оптимизации для оптимизации параметров VPRM, связанной с моделью химического переноса CHIMERE, и которая включает предварительное преобразование входных данных XCO2, что уменьшает влияние граничных условий CHIMERE на результаты инверсии. Мы исследовали потенциал нашей системы инверсии, применив ее к европейскому региону (включающему, в частности, страны ЕС и Великобританию) для теплого сезона (май-сентябрь) 2021 года. Инверсия наблюдений OCO-2 привела к значительному (более чем в три раза) уменьшению предварительной неопределенности в региональной оценке NEE. Апостериорная оценка NEE согласуется с независимыми оценками, предоставленными системой CarbonTracker Europe High-Resolution (CTE-HR) и ансамблем глобальных инверсий модели OCO-2 v10 intercomparison (MIP). Мы также обнаружили, что инверсия улучшает согласие наших симуляций XCO2 с данными, полученными из сети наблюдений за общим содержанием СО2 в столбе атмосферы (TCCON). Наши эксперименты по проверке чувствительности с использованием синтетических данных XCO2 показывают, что апостериорная оценка NEE будет оставаться надежной, даже если фактические региональные потоки CO2 будут резко отличаться от их предварительных значений. Более того, оказалось, что апостериорная оценка NEE устойчива к сильным смещениям и случайным неопределенностям в граничных условиях CHIMERE. В целом, данное исследование показывает, что наш подход предлагает надежный и относительно простой способ получения надежных оценок экосистемных потоков CO2 на основе спутниковых наблюдений XCO2 и расширяет возможности применения VPRM в регионах, где вихревые пульсационные измерения потоков CO2 недостаточны.

Исследование опубликовано в Remote Sensing.

Китайские ученые представили разделение и количественную оценку выбросов метана на уровне объекта с перекрывающимися шлейфами

В последнее время значительное внимание уделяется количественной оценке интенсивности эмиссии метана на уровне объектов с помощью спутников с тонким пространственным разрешением. Однако преобладающие алгоритмы количественной оценки обычно требуют в качестве исходных данных шлейф метана от одиночного точечного источника. Такие подходы сталкиваются с проблемой перекрывающихся шлейфов от нескольких точечных источников. Для решения этих проблем мы предлагаем подход к разделению, основанный на эвристической оптимизации и гауссовой модели шлейфа от нескольких источников, чтобы разделить перекрывающиеся шлейфы. Затем для точной количественной оценки интенсивности выбросов применяется модель интегрированного увеличения массы (IME). Для проверки предложенного метода были проведены эксперименты по моделированию систем наблюдения (OSSE) по различным сценариям. Результаты показывают, что перекрытие шлейфов усугубляет ошибку количественной оценки метода IME, когда он применяется без такого подхода к разделению, где средняя абсолютная процентная ошибка количественной оценки (MAPE) увеличилась с 0,15 до 0,83, и на нее влияют такие факторы, как интервалы между источниками, направление ветра и интенсивность помеховых выбросов. Напротив, применение предложенного метода разделения вместе с подходом к количественной оценке IME уменьшает эти помехи, снижая MAPE количественной оценки с 0,83 до 0,38. Более того, предложенный метод также превосходит прямое использование многоисточниковой гауссовой подгонки плюмажа для количественной оценки, с MAPE 0,45. Наш метод разделения разделяет перекрывающиеся шлейфы из нескольких источников на отдельные наблюдения из одного источника, что позволяет алгоритму IME - высокоточному подходу к количественной оценке изображений шлейфов с тонким пространственным разрешением - эффективно работать со сценариями с несколькими источниками. Этот метод может помочь в будущих космических работах по инвентаризации углерода для пространственной кластеризации объектов, выделяющих углерод.

Исследование опубликовано в Atmospheric Measurement Techniques.

Британские ученые представили сеть мониторинга выбросов парниковых газов для информирования о чистых нулевых инициативах (GEMINI-UK)

Сеть мониторинга выбросов парниковых газов для информирования об инициативах «нет-ноль» в Великобритании (GEMINI-UK) включает десять приборов Bruker EM27/SUN, расположенных по всей Великобритании, которые собирают средние сухие объемные отношения смеси для CO2 и метана (XCO2 и XCH4). Основной целью GEMINI-UK является получение региональных оценок нетто-потока CO2 и метана на территории Великобритании, которые могут быть использованы для предоставления практической информации правительству Великобритании. Приборы размещены в специально разработанных автономных погодоустойчивых корпусах, что позволяет максимально обеспечить безоблачный сбор данных в течение всего календарного года. Сеть будет полностью введена в эксплуатацию в начале 2025 года. На этапе ввода в эксплуатацию мы спроектировали сеть таким образом, чтобы она обеспечила наибольшее неопределенное снижение чистых потоков CO2 на основе предыдущих инвентаризаций выбросов. Десять объектов расположены в учебных заведениях Великобритании и национальной научно-исследовательской лаборатории, что подчеркивает наше стремление сделать эти данные открытыми для всех. В данном исследовании мы используем серию замкнутых численных экспериментов для номинального календарного года 2019, чтобы количественно оценить теоретические преимущества использования новой наземной сети дистанционного зондирования с учетом облачности для оценки пространственно разрешенных чистых потоков CO2 и метана на территории Великобритании. Основываясь на наших результатах, мы ожидаем, что GEMINI-UK обеспечит значительное сокращение ошибок в оценках потоков CO2, с сокращением на 15 %-63 % в январе и на 29 %-72 % в июле. Несмотря на то, что сеть оптимально спроектирована для углубления понимания потоков CO2 в Великобритании, мы ожидаем, основываясь на наших расчетах, что GEMINI-UK также существенно снизит неопределенность выбросов метана, достигнув априорного снижения ошибок на 13 %-70 % в январе и 32 %-87 % в июле. В контексте дополнения информации, собранной установленной сетью высоких мачт, мы обнаружили, что данные GEMINI-UK имеют наибольший потенциал в регионах с высоким потоком в центральной и южной частях Великобритании в зимние месяцы и в более широких южных и северных регионах в летние месяцы. В более широком смысле, данные, собранные GEMINI-UK, также послужат основой для оценки спутниковых наблюдений за этими следовыми газами, тем самым обеспечивая уверенность в их способности дополнить данные, собранные GEMINI-UK и сетью высоких мачт.

Исследование опубликовано в сборнике препринтов.

Французские ученые описали оптимальный выбор спутниковых изображений XCO2 для мониторинга выбросов CO2 в городах

В настоящее время растет интерес к оценке городских выбросов CO2 по космическим снимкам средней мольной доли CO2 в сухом воздухе (XCO2). Методы оценки выбросов были широко опробованы и применены к реальным или синтетическим изображениям. Однако до сих пор не существует объективных критериев для отбора изображений, которые стоит обрабатывать. В данном исследовании анализируется эффективность автоматизированного метода оценки городских выбросов в зависимости от выбранного города и атмосферных условий. В нем используются эксперименты с искусственными данными и 9920 спутниковых изображений XCO2 над 31 крупнейшим городом мира, полученных с помощью глобальной адаптивно-сетчатой модели «океан-земля-атмосфера» (OLAM), увеличенной с высоким разрешением над этими городами. Мы используем метод обучения на основе дерева решений, примененный к этому ансамблю синтетических изображений, чтобы определить критерии, основанные на этих выбросах и атмосферных условиях, для выбора подходящих спутниковых изображений. Мы показываем, что наш автоматизированный метод оценки выбросов, основанный на гауссовой модели шлейфа, позволяет получить оценки для 92% синтетических изображений. Наш метод обучения определяет два критерия - пространственную изменчивость направления ветра и бюджет выбросов целевого города, - которые отличают изображения, обработка которых дает разумные оценки выбросов, от тех, обработка которых дает большие ошибки. Изображения, соответствующие низкой пространственной изменчивости направления ветра (менее 12°) и высоким городским выбросам (более 2,1 ктCO2 ч-1), составляют 47% изображений, и их обработка дает относительные ошибки в оценках выбросов с медианным значением -7% и межквартильным интервалом (IQR) 56%. Изображения, соответствующие высокой пространственной изменчивости направления ветра или низким городским выбросам, составляют 53 % наших изображений, и их обработка дает относительные ошибки в оценках выбросов с медианным значением -3 % и IQR 99 %. Несмотря на столь эффективную фильтрацию, точность оценок, соответствующих первой группе изображений, сильно варьируется от города к городу.

Исследование опубликовано в журнале Atmospheric Measurement Techniques.

Японские ученые оценили выбросы метана в городах и их характеристики в мегаполисе Осака с помощью мобильных и вихревых ковариационных измерений

Городские районы - это регионы, где ожидается большое количество выбросов парниковых газов, но во многих городских районах источники и поглотители еще не охарактеризованы с достаточной точностью. В данном исследовании мы провели мобильные и пульсационные измерения для оценки выбросов CH4 в мегаполисе Осака, Япония. По результатам мобильных измерений было отмечено несколько повышенных концентраций CH4. Большинство из этих мест не были связаны с источниками CH4, определенными в кадастрах выбросов, представленных местными органами власти. Две платформы для мобильных измерений, автомобильная и велосипедная, показали хорошую согласованность для оценки общих выбросов CH4, но автомобильные измерения, как правило, приводили к меньшим оценкам выбросов природного газа, чем велосипедные измерения. Расчетные выбросы CH4 составили 10 021 ± 1 000 тCH4 год-1 для города Осака и 2 379 ± 480 тCH4 год-1 для города Сакаи, что в 18 раз и 2,5 раза больше, соответственно, чем ожидалось в кадастрах. Совместные наблюдения за C2H6 показали, что выбросы природного газа составляют 64 % от общего объема выбросов CH4 в городе Осака и 47 % в городе Сакаи. Увеличенные выбросы CH4 были откалиброваны по дневным потокам CH4 с помощью метода вихревой ковариации, поскольку эмпирические модели значительно недооценивают региональные потоки. Судя по этим снимкам, выбросы CH4 из мегаполисов Японии могут быть значительно больше, чем указано в кадастрах выбросов, а большинство источников CH4 в этих кадастрах недостаточно хорошо охарактеризованы. Эти неучтенные источники должны быть лучше охарактеризованы, чтобы улучшить японский кадастр CH4 и оценить, можно ли уменьшить эти выбросы.

Исследование опубликовано в сборнике препринтов.

Международный коллектив ученых оценил глобальные потоки CH4, полученные на основе данных JAXA/GOSAT

Спутниковые инверсии дают ценную информацию о потоках метана CH4, но усвоение усредненных столбу атмосферы мольных долей CH4 (XCH4) в сухом воздухе было сопряжено с трудностями. В данном исследовании впервые изучается потенциал новых данных GOSAT об XCH4 в нижней тропосфере (pXCH4_LT), полученных Японским агентством аэрокосмических исследований (JAXA), для ограничения глобальных и региональных потоков CH4. Используя модель атмосферы CarbonTracker Europe-CH4, мы оценили потоки CH4 в 2016-2019 гг. путем ассимиляции данных JAXA/GOSAT pXCH4_LT и XCH4 и независимых наблюдений CH4 на поверхности. Потоки CH4 в Северном полушарии, полученные на основе данных JAXA/GOSAT pXCH4_LT, были схожи с оценками, полученными на основе поверхностных наблюдений, но были недооценены примерно на 35 ТгCH4 год-1 (∼6 % от глобального общего объема) с использованием данных JAXA/GOSAT XCH4. Для Южного полушария оценки, полученные с помощью обеих инверсий GOSAT, были примерно на 15-30 ТгCH4 год-1 выше, чем по данным с поверхности. Оценки по сравнению с независимыми данными, полученными в ходе авиационной кампании Atmospheric Tomography Mission, показали хорошее согласие в отношении CH4 в нижней тропосфере по результатам инверсий с использованием данных JAXA/GOSAT pXCH4_LT и поверхностных данных. Однако оцененныеградиенты Север-Юг показали значительное завышение в верхней тропосфере и стратосфере, возможно, из-за относительно равномерного межполушарного распределения OH, которое контролирует поглотители CH4. В целом, мы пришли к выводу, что использование данных JAXA/GOSAT pXCH4_LT демонстрирует значительный потенциал в определении глобальных и региональных потоков CH4, способствуя нашему пониманию бюджета CH4.

Исследование опубликовано в сборнике препринтов.

Международный коллектив ученых провел количественную оценку региональных ошибок чистого потока CO2 в ансамбле проекта сравнения моделей

Проекты по взаимному сравнению моделей решения обратных задач (MIP) дают возможность оценить неопределенности в оценках инверсии, возникающие из различных источников. Однако точная количественная оценка ошибок ансамблевых потоков CO2 остается сложной задачей и часто зависит от разброса ансамблей. В данном исследовании предлагается метод количественной оценки ошибок в региональных оценках чистого потока CO2 от поверхности к атмосфере по моделям, полученным в рамках MIP Orbiting Carbon Observatory-2 (OCO-2) v10, с использованием независимых измерений CO2 в воздухе за период 2015-2017 гг. Сначала мы вычисляем среднеквадратичную ошибку (RMSE) между средним ансамблевым значением апостериорных концентраций CO2 и данными наблюдений с воздуха, а затем изолируем ошибки концентрации CO2, вызванные исключительно средним ансамблевым значением апостериорных чистых потоков, путем вычитания ошибок наблюдений, представления и переноса из семи регионов. Наш анализ показывает, что ошибки потоков, спроецированные на пространство CO2, составляют 55%-85% среднего значения RMSE по регионам за 3 года, варьируя от 0,88 до 1,91 ppm. В пяти регионах оценки ошибок, основанные на наблюдениях, превышают оценки, рассчитанные на основе ансамблевого разброса апостериорных потоков, в 1,33-1,93 раза, что означает занижение фактических ошибок потоков, в то время как в двух регионах их величины сопоставимы. Анализ чувствительности по смежным параметрам показывает, что недооценка погрешностей потоков заметна там, где величины выбросов ископаемого топлива превышают величины наземно-биосферных потоков в 3-31 раз за 3 года. Это говорит о наличии систематических погрешностей в инверсионных оценках, связанных с ошибками в предписанных выбросах ископаемого топлива, общих для всех моделей. Наше исследование подчеркивает ценность измерений с воздуха для количественной оценки региональных ошибок в ансамблевых оценках чистого потока CO2.

Исследование опубликовано в журнале Atmospheric Chemistry and Physics.

Китайские ученые провели комплексный анализ чувствительности спутниковой системы инверсии выбросов углекислого газа

Одновременный мониторинг парниковых газов и выбросов загрязняющих веществ в атмосферу имеет решающее значение для борьбы с глобальным потеплением и загрязнением воздуха. Ранее мы создали спутниковую систему инверсии выбросов углекислого газа (CO2), которая успешно фиксирует колебания выбросов CO2 и оксида азота (NOx) в условиях социально-экономических изменений. Однако устойчивость и слабые стороны системы еще не были полностью оценены. Здесь мы проводим комплексный анализ чувствительности с 31 тестом на различные факторы, включая предшествующие выбросы, разрешение модели, спутниковые ограничения и конфигурацию системы инверсии, чтобы оценить уязвимость оценок выбросов во временном, секторальном и пространственном измерениях. Относительное изменение (RC) между этими тестами и базовой инверсией отражает влияние различных конфигураций на предполагаемые выбросы. Хотя оценки показывают повышенную чувствительность к тестируемым факторам в более мелких масштабах, система демонстрирует заметную устойчивость, особенно для годовых национальных суммарных выбросов NOx и CO2 в большинстве тестов (RC < 4,0 %). Пространственно-временные изменения параметров, как правило, оказывают непоследовательное влияние (среднеквадратическое отклонение σ ≥ 4 %) на оценки и наоборот (σ < 4 %). Разрешение модели, спутниковые ограничения и коэффициенты выбросов NOx являются наиболее значимыми факторами, что подчеркивает их приоритетность для дальнейшей оптимизации. Если взять в качестве примера ежедневные суммарные выбросы CO2 в масштабах страны, то RC ± σ может достигать -1,2 ± 6,0 %, 1,3 ± 3,9 % и 10,7 ± 0,7 %, соответственно. Данное исследование показывает надежность и области для улучшения нашей системы инверсии выбросов CO2 на основе спутниковых данных о загрязнении воздуха и открывает возможности для повышения надежности мониторинга выбросов CO2 в будущем.

Исследование опубликовано в журнале Atmospheric Chemistry and Physics.

Австрийские ученые опубликовали данные высокого разрешения о круговороте углерода с 2019 по 2021 год, полученные на шести австрийских участках долгосрочных исследований экосистем

В шести регионах Австрии было создано семь площадок долгосрочных наблюдений, охватывающих основные типы экосистем, такие как леса, луга и водно-болотные угодья, в широком биоклиматическом диапазоне. Целью этих наблюдений является измерение ключевых параметров экосистем, которые служат базовыми для оценки воздействия экстремальных климатических явлений на углеродный цикл. Собранные наборы данных включают метеорологические переменные, почвенный микроклимат, потоки CO2 и рост стволов деревьев, зарегистрированные с высоким временным разрешением (15-60 мин) в период с 2019 по 2021 год (включая 1 год средних климатических условий и 2 сравнительно сухих года). DOI наборов данных можно найти в разделе «Data availability». Участки будут интегрированы в Европейскую исследовательскую инфраструктуру для комплексных долгосрочных экосистемных, критических зон и социально-экологических исследований (eLTER RI). Впоследствии новые данные, охватывающие представленные здесь переменные, будут постоянно доступны через портал интеграции данных. Этот шаг позволит полностью раскрыть потенциал данных для исследований круговорота углерода в экосистемах, связанных с засухой.

Исследование опубликовано в журнале Earth System Science Data.